Генетика микроорганизмов - микробиология с техникой микробиологических исследований
Видео: Константин Северинов. От Ламарка к Дарвину и обратно: генетическая изменчивость у бактерий
Наука о наследственности и изменчивости микроорганизмов — представляет собой один из интереснейших и практически важных разделов микробиологии.
Проблема изменчивости микробов не нова. Она занимала умы основоположников медицинской микробиологии Л. Пастера, Р. Коха, И. И. Мечникова и др. в то время как генетика микроорганизмов начала развиваться только в 40-х годах нашего столетия. Этому способствовали большие достижения в изучении химии нуклеиновых кислот и их роли как носителей наследственной информации. На модели микроорганизмов и были изучены такие важные вопросы общей биологии как определение биохимической природы носителей наследственности и структура генов.
Изменчивость и наследственность неразрывно связаны между собой и вместе с селекцией (отбором) являются движущей силой эволюционного процесса.
Наследственность микроорганизмов. В главе «Строение бактерий» указывалось, что ядра у бактерий (нуклеоиды или хромосомы) по химическому составу и функциональным свойствам напоминают ядра животных и растительных клеток. Генетическую организацию бактериальной хромосомы установили, изучив механизмы обмена генетическим материалом между двумя бактериальными клетками.
Различают следующие механизмы обмена генетическим материалом: трансформацию, трансдукцию и конъюгацию.
Трансформация (превращение) —это изменение свойств одного микроорганизма под действием ДНК другого. В трансформации принимай^ участие: бактерия—донор, как источник ДНК, и бактерия — реципиент, воспринимающая ДНК донора. При трансформации происходит передача небольших отрезков ДНК от бактерии — донора к бактерии — реципиенту.
Это явление впервые описал Гриффитс в 1928 г. Он заражал мышей небольшими дозами авирулентного и лишенного капсулы пневмококка II типа совместно с убитой нагреванием культурой патогенного, капсульного пневмококка III типа. Мыши погибали, и из их органов выделялся с глубокими изменениями пневмококк II типа: он приобрел вирулентность и капсулу, присущие пневмококку III типа.
В 1944 г. Эвери, Мак Леод и Мак Карта получили из культуры пневмококка III типа путем специальной химической обработки, особое вещество с высокой, вязкостью, которое в очень небольшом количестве обусловливает переход культуры пневмококка любого типа в пневмококк III типа. Этим веществом оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Затем былоустановлено, что ДНК оказывает трансформирующее действие не только в отношении передачи типоспецифичности, но и других признаков микробов (морфологических, резистентности и т. д.). При помощи трансформирующей ДНК была получена изменчивость и у менингококка, палочки инфлюэнцы, дизентерийной палочки Флекснера и других бактерий. Явление трансформации наступает только при определенных условиях и особых физиологических состояниях клетки (состояние компетентности) .
Поэтому трансформация получается у небольшого числа клеток. У пневмококков она обнаруживается в 2—5% у палочки инфлюэнцы —в 0,01—0,5% случаев, Феномен трансформации дает возможность более глубоко изучать роль ДНК, как носителя наследственности.
Трансдукция. При трансдукции бактериофаги передают бактерии — реципиенту новые признаки, перенося их от бактерии донора, т. е. фаг является переносчиком генетических свойств от одной клетки другой. Фаг может передавать способность разлагать сахара, особенности обмена веществ, подвижность и другие свойства. Различают специфическую трансдукцию, при которой передается один признак (генетически сцепленный t фагом) и неспецифическую, при которой имеет место передача нескольких сцепленных признаков. К трансдукции обычно способен умеренный фаг.
Изучение процесса трансдукции показало, что хромосома состоит из отдельных единиц наследственности, линейно расположенных по длине хромосомы.
Конъюгация — это половой процесс, который впервые наблюдали в 1946 г. Д. Ледерберг и Э. Л. Татум у кишечной палочки. Перенос генетического материала при крнъюгации от клетки донора в клетку-реципиент происходит через специальные Половые ворсинки (F), обнаруживаемые у клеток-доноров, обозначаемых F+ (fertility — плодовитость). При этом клетка-реципиент получает новые свойства.
Все. три явления (трансформация, трансдукция и конъюгация) дают возможность изучать наследственную основу бактериальной клетки —ее генотип и поведение клетки во внешней среде — фенотипические проявления генотипа.
Изменчивость. Изменчивость, как и наследственность, является биологической особенностью всех живых организмов. Присуща она и микроорганизмам. Вопрос о характере этой изменчивости и об ее границах- поставленный еще на заре развития учения о микроорганизмах, в настоящее время не может считаться вполне разрешенным.
По степени и глубине изменчивость бактерий подразделяется на мутационную и модификационную, фенотипическую, ненаследственную изменчивость. Модификациями называют фенотипические ненаследственные изменения, возникающие в результате нерезких изменений условий существования микроорганизмов, которые не влияют существенным образом на их развитие. Модификационная изменчивость нарастает постепенно и медленно по мере воздействия внешних факторов. Она нестойкая, проходящая и по наследству не передается. Такая форма изменчивости встречается нередко. Так, возбудитель чумы на обычном агаре растет в виде небольших палочек, а на агаре с повышенной концентрацией поваренной соли образует крупные шаровидные формы, очень длинные и толстые палочки, микробные «тени» и т. д.
Добавление к питательной среде солей лития изменяет морфологию холерного вибриона. У бактерий туберкулеза, возбудителя брюшного тифа и других микробов описаны так называемые фильтрующиеся (авизуальные) формы, т. е. невидимые в обычном микроскопе и проходящие через мелкопористые бактериальные фильтры. Специальными методами культивирования на питательных средах или пассажем на лабораторных животных удается из фильтрующихся форм получить видимые формы соответствующих бактерий.
Мутационная наследственная изменчивость. Это такая изменчивость, которая передается по наследству, но не выходит за пределы вида. Она связана с изменениями наследственной системы клетки, ее генотипа.
Примером мутационной изменчивости могут служить:
- ауксотрофные микроорганизмы (разновидность прототрофов), утратившие способность самостоятельно синтезировать ряд жизненно важных веществ (аминокислоты, витамины и др.)- 2) живые вакцины — ослабленные в своей вирулентности штаммы туберкулезной палочки, возбудителя чумы, бруцеллеза, туляремии, вируса оспы, бешенства, полиомиелита и других микроорганизмов- 3) лекарственноустойчивые формы микроорганизмов.
Согласно теории генных мутаций изменчивость микроорганизмов объясняется как результат перекомбинации генов и генных мутаций (скачкообразных изменений).
Мутации (от лат. mutatio — перемены, изменение) носят случайный, неопределенный характер и не зависят от влияния внешней среды (спонтанные мутации). При спонтанных мутациях изменяется один какой- либо наследственный признак, в редких случаях — несколько. Причина спонтанных мутаций пока неизвестна. Кроме спонтанных, встречаются и индуцированные мутации, которые возникают в результате действия на микробную клетку неблагоприятных факторов внешней среды (мутагенные факторы). К ним относятся ультрафиолетовые и рентгеновы лучи, йод, перекись водорода и др.
Одной из форм мутационной изменчивости является микробная диссоциация, по которой изменчивость микробов сводится к изменению в пределах вида и характеризуется закономерным расщеплением исходной культуры на два типа колоний — гладкий (S) и шероховатый (R), резко отличающихся друг от друга (рис. 59).
Рис. 59. Гладкие и шероховатые колонии при диссоциации.
Этот процесс легко обнаруживается, если чистую культуру бактерий рассеять по поверхности плотной питательной среды в чашках- при этом вырастают два основных типа колоний: 1) круглые, влажные, просвечивающие, с блестящей гладкой поверхностью и ровным краем, так называемые гладкие, или S-формы (от англ. smooth — гладкий), и 2) неправильной формы, непрозрачные, сухие колонии с зазубренными краями и морщинистой шероховатой поверхностью, так называемые шероховатые, или R-формы (от англ. rough — шероховатый).
Изменчивость микробов в пределах S- и R-форм является всесторонней, начиная с морфологических и культуральных и кончая серологическими, антигенными и патогенными свойствами и связана с мутациями в генетических областях хромосомы бактерий, детерминирующих синтез О-антигена.
Переход от S-форм к R-формам совершается постепенно, через промежуточные О-формы, что схематически представляется следующим образом: S—О—R.
Кроме указанных типов колоний, в процессе диссоциации появляются чрезвычайно мелкие, так называемые карликовые колонии (g-колонии) и мукоидные, или слизистые, колонии М-формы.
Своеобразной формой изменчивости микроорганизмов является феномен образования L-ф о р м бактерий, открытый в 1935 г. Л. Клинебергер и названный ею в честь Института имени Д. Листера, где было сделано это открытие. L-формы характеризуются своеобразной морфологией: нормальные клетки под действием ряда факторов (антибиотиков, особенно пенициллина, повышенных концентраций солей, фага, антител и др.) превращаются в крупные шаровидные и нитевидные структуры, иногда распадающиеся и превращающиеся в зернистые элементы.
Образование гигантских клеток обусловлено прекращением размножения клетки при сохранении способности к росту. Изменение морфологии бактерий сопровождается изменчивостью культуральных и серологических свойств.
L-формы бактерий выделены из организма больного человека (при септическом эндокардите, ревматизме).
При соответствующих условиях культивирования выделенные L-формы могут длительно сохранять свою морфологию. В некоторых случаях они реверсируют, т. е. переходят в исходную культуру.
Лекарственная резистентность (устойчивость) у бактерий может быть связана с эписомами (см. «Строение бактерий» стр. 20). К эписомным факторам относятся также половой фактор (F), бактериоцины и профаги. Бактериоцины — вещества, выделяемые некоторыми бактериями, резко нарушающими метаболизм (обмен веществ) у кишечной палочки, шигелл, сальмонелл и других микробов. Профаги — генетические элементы, экзогенные по отношению к бактериальной клетке, которая может существовать и без них. Профаги могут длительно сохраняться в клетках и переходить из поколения в поколения микробов. Под влиянием профагов у бактерий изменяются морфологические, культуральные, ферментативные и патогенные свойства. Такая изменчивость называется фаговой конверсией.
Изучение явлений изменчивости делает возможным получение новых видов микроорганизмов, которые с успехом применяются в сельском хозяйстве, промышленности и медицине. Например, получены и внедрены в практику новые удобряющие землю варианты азотфиксирующих и других микробов, специальные культуры дрожжей, применяемые в виноделии, молочном производстве и промышленности. Знание процессов изменчивости позволяет совершенствовать методы лабораторной диагностики, что имеет большое значение в практической работе микробиолога.
